硫化物的分解代謝

可改善缺氧性腦損傷
 

 -哺乳動物的大腦極易遭受缺氧影響- 

      大腦對缺氧敏感的機制尚不完全清楚。H2S是一種抑制線粒體呼吸的氣體，缺氧可以誘導H2S的積累。Eizo Marutani等人研究發現，在小鼠、大鼠和自然耐缺氧的地松鼠中，大腦對缺氧的的敏感性與SQOR的水平及分解硫化物的能力成反比。

      硫醌氧化還原酶（sulfide: quinone oxidoreductase , SQOR）是一種谷胱甘肽還原酶家族的膜結合黃素蛋白，為硫化物氧化解毒的一種關鍵酶。沉默的SQOR增加了大腦對缺氧的敏感性，而神經元特異性的SQOR表達則阻止了缺氧誘導的硫化物積累、生物能量衰竭和缺血性腦損傷。降低線粒體中SQOR的表達，不僅增加了大腦對缺氧的敏感性，也增加了心臟和肝臟對缺氧的敏感性。硫化物的藥理清除維持了缺氧神經元的線粒體呼吸，并使小鼠能夠抵抗缺氧。

      相關研究于2021年5月發表在Nature子刊Nature communications上，題為《Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury》，該研究由美國馬薩諸塞州總醫院以及哈佛醫學院共同完成。

      該研究團隊一開始的研究方向并不是尋找可以治療腦卒中的靶點，他們的研究方向是「人體冬眠」，就像以往科幻電影里的那種，得了某種不治之癥，然后進行冷凍或者其他技術的冬眠，等待科技進步以后，再次復蘇。

      一開始，他們是要尋找可以對小鼠進行催眠的物質，鎖定在了H2S。期初，吸入H2S的小鼠進入了一種「冬眠」狀態，體溫下降，無法動彈。但是，令人驚訝的是，小鼠很快就對吸入H2S的影響產生了耐受性。到了第五天，他們行動正常，不再受到H2S的影響。更有趣的現象是，研究團隊發現，對H2S耐受的小鼠，對缺氧也能非常好的耐受。因而研究團隊提出了SQOR基因在耐缺氧中起發揮重要作用的假設。

實驗方法描述

所有小鼠都被飼養在12小時的晝/夜循環中，溫度在20-25°C之間，濕度在40%-60%之間。

 -間歇性H2S吸入- 

小鼠暴露于80 ppmH2S的空氣中連續5天，每天4小時。實驗過程中實時監測H2S濃度和FiO2。每天在H2S吸入前后測量直腸溫度，以檢查H2S對體溫的影響。

 -CO2產生量的測量- 

最后一次的吸入空氣或H2S24小時后，在對照組或硫化物預處理小鼠中測量二氧化碳的產生。將小鼠放置在全身體積描記系統內，并測量二氧化碳的產量。

 -小鼠的缺氧和缺氧耐受性- 

為了測量缺氧耐受性，在最后一次空氣或H2S吸入24小時后，將小鼠放入透明的塑料室中。然后，用低氧氣體混合物以1 L/min連續沖洗腔室，以達到所需的FiO2。在缺氧暴露期間連續觀察小鼠最多60 min，當小鼠出現嚴重痛苦跡象（扭動或發作、呼吸頻率低于6/分鐘和尿失禁）時，將其取出，用5%異氟烷安樂死并視為死亡。

 -組織采集- 

將小鼠采用異氟醚麻醉，呼吸機機械通氣。用空氣或缺氧氣體混合物通氣3 min后，將小鼠進行安樂死，開始取材。
 

實驗數據

a：對照組和硫化物預處理組（SPC）小鼠的體溫

b：二氧化碳產生率（VCO2） 

c：血漿中硫化物的濃度

d：血漿中的硫代硫酸鹽、腦組織中的硫化物濃度

f：腦組織中的硫代硫酸鹽、 

g：存活率

h：小鼠在5% O2低氧下的VCO2

i：常氧和5%低氧下，腦組織中的硫化物

j：per sulfide，k NADH/NAD+比

l：乳酸水平。m腦組織中的SQOR相對表達量，

n、o：腦組織和心臟組織中 SQOR蛋白水平

p、q：離體腦線粒體的氧氣消耗速率 (OCR)

r：計算得到的 ATP轉換率。

 

地松鼠的缺氧耐受性和硫胺分解代謝增強

研究團隊用RNA沉默SQOR，發現可增加大腦對缺氧的敏感性，而神經元特異性SQOR的表達可阻止缺氧誘導的硫化物積聚、生物能衰竭和缺血性腦損傷。

 

SQOR可改善神經元細胞的線粒體功能

降低線粒體的SQOR基因的表達，不只是大腦，而且心臟、肝臟對缺氧的敏感性都增加了。

 

 

硫化物清除劑的作用

通過藥物清除硫化物，可維持缺氧神經元的線粒體呼吸過程，使小鼠耐受缺氧。該研究闡明了硫化物分解代謝在缺氧時能量平衡中的關鍵作用，并確定了缺血性腦損傷的治療靶點。

在自然界中很多強有力的證據可以證明該研究的結論。例如，已知雌性哺乳動物比雄性哺乳動物更能抵抗缺氧，而前者的SQOR水平更高。當女性的SQOR水平被人為降低時，她們就更容易缺氧(雌激素可能是觀察到的SQOR增加的原因），例如更年期。此外，一些冬眠動物，如地松鼠，對缺氧有很強的耐受性，這使得它們能夠在冬季身體新陳代謝減緩的情況下生存下來。一只地松鼠的大腦比同樣大小的老鼠的SQOR高出100倍。

該研究的主要研究者說：“人腦的SQOR水平非常低，這意味著即使是少量的H2S積累，就可以影響神經元的健康。我們希望有一天我們研發出像SQOR一樣有效的藥物，這些藥物可以用來治療缺血性中風，以及心臟驟停引起的缺氧。

 

 -塔望科技-解決方案- 

全身體積描記系統

小鼠放置于體積描記器內，可以實時監測呼吸，也可進行低氧干預、H2S暴露。可進行低氧耐受實驗，也可監測動物的 耗氧量、CO2產生量、呼吸代謝率等。

 

全身暴露染毒系統

可以進行長期H2S暴露染毒、低氧實驗等。

 

動物能量代謝系統

可以綜合評估動物不同處理后的各種表型變化：進食量、進水量、進食進水模式、活動量、耗氧量、CO2產生量、呼吸代謝率等。

 

動物低氧高氧實驗系統

各種常壓/低壓/高壓下的缺氧/高氧實驗。可進行恒定低氧，也可進行間歇低氧。

 -相關文獻- 

Marutani E, Morita M, Hirai S et al. "Sulfide catabolism ameliorates hypoxic brain injury".[J]. Nat Commun 12, 3108 (2021). 

 

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